大型地下水封洞库群机械化配套技术

李春辉 周正华 辛国平

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

·机械与设备·

大型地下水封洞库群机械化配套技术

李春辉 周正华 辛国平

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

结合工程实例，通过研究大型地下水封洞库群的施工特点，提出了机械化配置要求，分析了机械化配套施工的优越性，并根据机械化配置原则，给出了大型地下水封洞库机械配套组合。

水封洞库，机械化，配套，优越性

地下水封洞库工程采用水封原理储备油气资源，具有安全可靠、经济实用、投资少、占地小、环保和生态友好、储量大并且利于战备的优点，被称为“具有高度战略安全的储备库”，我国尚处于起步阶段。洞库建成后一般不再进入洞库内部进行修复工作，存在一系列施工技术难题，施工难度和技术难度大，机械化配套技术是此类洞库施工的关键技术之一。本文以烟台大型地下水封式LPG储气洞库为例，对洞库工程的配置进行了论述。

1 工程概况

烟台地下水封LPG洞库设计总库容为100万m3，是目前世界储量最大的LPG地下水封洞库，用于储存丁烷、LPG和丙烷液化气体；其中丁烷、LPG库库容均为25万m3，丙烷库库容为50万m3。每个库均由3条长度200 m～400 m的洞罐组成，洞罐截面成蛋形平底状(圆形拱顶、圆形边墙、水平底板)，宽度18 m～20 m，高度26 m～28 m，设计开挖断面面积397 m3。水幕孔为直径100 mm的钻孔，水平水幕孔位于洞罐上20 m处，垂直水幕孔位于洞罐外侧20 m处，水幕孔长度为30 m～100 m。根据施工和运营的不同需要，在洞库的不同标高处设有洞库间连接巷道。因其具有结构复杂、开挖断面大、施工质量要求高、注浆及水幕技术要求高、施工组织难度大的特点，采用机械化配套施工。

2 设备配置总体要求

1)大型地下洞库群施工特点。a.相对于传统的交通隧道，洞库施工环境更加恶劣。洞库施工90%的工作量均为开挖施工，如采用传统的台架法施工效率较低。95%物料通过斜井运输，90%污风通过斜井外排，运输车辆和通风设备的选型极为重要。b.洞库施工不进行仰拱和二次衬砌。在洞库施工中，仅少量施工线路需要混凝土铺底作业，而主洞库更是要开挖四层才能完成。所以底板施工时，由于超欠挖效果不佳，台架行走不顺畅。c.洞库转角扩挖、下台阶施工处多。洞库内有许多施工处需要转角开挖、下台阶施工，传统的台架难以满足施工需求。d.洞库施工断面较大、较多。洞库主洞库施工均为宽18 m～20 m、高26 m～28 m，此类同时施工的断面有9个～10个，还有水幕小断面，高峰期合计施工断面约有15个左右。如采用传统加工的台架太重，移动极其不安全，而且施工断面太大，加工、修补非常困难。e.为保证洞库的密闭性，需要钻深孔注浆封堵裂隙。洞库施工地均在海边，海边地层富含水。所以洞库在施工过程中，库内各处均有可能随时出现裂隙水，水量较大。这时采用凿岩台车施工可以快速到达施工地点进行钻深孔注浆(20 m以上)，而传统机械难以满足此类需求。f.水幕系统的可靠性是洞库气密性的重要条件之一，最深达100 m水幕孔的施工精度是其重要保证，水幕钻孔设备的选型极为重要。g.洞库施工锚杆设计量较大。如采用人工台架开挖，在各个断面需加工2个台架。一个作为开挖台架施工，另一个作为支护台架施工。在实际施工中，需要移动2个重型台架较为困难。

2)洞库机械化施工设备配置总体要求。鉴于洞库以上的施工特点，我们不难判断：水封洞库施工需要安全性和经济性高、节能环保、移动便捷、工效高、钻孔深、适应恶劣环境的一体化专业设备。

3 机械化配套施工的优越性

1)安全系数高。a.台车司钻人员安全性明显提高。凿岩台车开挖时，司钻人员距离掌子面十多米，安全系数明显高于传统人工作业。b.机械化配套施工支护及时、到位。洞身在爆破开挖后，立即由混凝土湿喷机组对外露围岩进行初喷，随后进行液压凿岩台车配合平台车进行锚杆钻孔、安装工作，避免了掌子面危石下落造成的人员伤害事故。c.混凝土喷射机组操作人员安全性明显提高。采用混凝土喷射机组进行湿喷作业时，作业人员和设备可停留在已完成初期支护相对安全的位置进行湿喷作业，消除了对机械设备和施工人员存在着很大的安全隐患。

2)能耗低，功效高，经济效益明显。a.喷射混凝土湿喷机组经济性分析。在喷射同等量的混凝土的情况下，传统工艺的能源和配件消耗是大型湿喷机组消耗的5倍以上，混凝土回弹量是大型湿喷机组的4倍～5倍，而效率仅为大型湿喷机组的1/3～1/5。采用大型湿喷机组的经济性明显优于传统小型湿喷机。b.凿岩台车施工经济性分析。以某开挖断面120 m2的双线铁路隧道施工为例，岩石主要为花岗岩(强度达到80 MPa以上)，初期采用人工风钻开挖平均每方耗电量为12 kW·h左右，采用2台凿岩台车开挖后，平均每方耗电量为1.8 kW·h左右，并且提高了施工效率，较人工风钻开挖节约成本27.9%，对降低人工费和间接费大有裨益，采用凿岩台车施工经济性能明显突出。

3)工程质量稳定可靠，工人劳动强度低，作业环境得到根本改观。a.喷射混凝土作业。以主洞库顶层施工为例，若采用常规的小型喷射机作业，需配备2台～3台，每台配6人，连续作业3.5 h才能完成喷射混凝土支护作业，并且外加剂和水由人工控制现场添加，随意性较大，喷出的料束受上料速度的影响而不均匀、不连续，平整度较差，外观颜色不均匀，力学性能指标浮动较大，而且现场粉尘浓度大，施工质量和作业环境得不到良好的保证。而湿喷机组施工仅需1台，配备3人作业1 h即可完成主洞库顶层喷射混凝土支护作业，并且拌合料配比及外加剂掺量稳定，再加上机械手喷射的流量稳定、速度匀速，能实现现场连续湿喷，湿喷混凝土表面平整度较好，外观颜色均匀，力学性能指标浮动幅度小，初期支护混凝土强度高、整体性强、密实度好，施工质量稳定可靠，现场粉尘浓度小，作业环境良好，劳动强度低。b.洞身开挖作业。以主洞库顶层施工为例，常规的人工风钻开挖需配人工30名左右，钻眼作业时间为4 h；采用凿岩台车仅需2台、共4人连续作业1 h即可完成钻眼作业，劳动强度大大降低。

4 大型地下洞库群机械化配套

1)机械化配套原则。地下洞库施工以高强度开挖、钻孔、喷混凝土、装载及运输、注浆等作业为主，主要设备的适用性和可靠性对工程顺利推进至关重要。a.三臂凿岩台车Atlas353E，Sandvik(Tamrock)T11及更新系列，地下作业应优先选择全液压系统，能较好适应潮湿、多尘的作业环境，全液压系统稳定性、可靠性高，易维护，元配件成本相对较低，对中硬岩(Rb=80 MPa～100 MPa)和硬岩(Rb=100 MPa～120 MPa)的适应性较好。b.混凝土湿喷机械

手：目前应用较成熟、性能稳定的混凝土湿喷机械手有大象(麦斯特MEYC0Potenza)，阿利瓦(SIKA-PM500)，CIFA、挪曼尔特(NORMET)等，均适应地下喷混凝土作业环境。c.水幕孔钻孔设备：潜孔钻成熟品牌较多，Atlas、古河等潜孔钻性能稳定，效率高，综合经济性较好，在地下洞库受限空间高强度作业环境下，应配置自动换钻杆和孔口捕尘系统。d.通风机：优先选择变频通风机，该类型通风机可根据作业面空气质量自行调节风机运行速度，具有既能保证作业面空气质量又能实时控制功率，节能高效的优点，成熟的品牌有盖雅等。定级调速通风机虽具有调速功能，但最多四级，每级定速运转，节能效果差。e.装载机：目前国产成熟品牌有柳工ZLC系列、徐工系列和厦工系列，可满足地下洞库高强度装渣作业要求。f.出渣大车：选功率280 kW以上的双后轿自卸式，有效载重25 t，车厢容积12 m3以上的出渣率。g.高空作业平台车：优先选用结构简单、轮式行走、作业升高10 m～12 m、工作载荷400 kg以上的平台车。2)烟台LPG大型水封洞库主要施工机械配备见表1。

表1 各分队机械配备表

5 结语

烟台地下水封LPG洞库工程通过机械化配套的应用，11.77个月完成2 135.1 m交通巷道掘进(月均掘进181 m，最高月掘进309 m)，15.9个月完成9条主洞库2 817 m开挖支护作业，每条主洞库分4层开挖，累计开挖1 118.8万m3洞渣(月均开挖7万m3，最高月开挖12万m3)，优质高效地完成了工程施工任务，证明了本配套技术方案的合理性和先进性。

通过本工程的实践，本人深刻体会到：大型地下水封洞库施工技术难度大，机械化配套施工是解决相关技术难题的重要途径之一，其重要性将日益突出。随着社会的发展，人力资源成本越来越高，且对工作环境提出了更高的要求，传统风钻操作工、小型湿喷机操作人员越来越少，机械化配套施工的优势将进一步体现，机械化配套前景极为广阔。

On mechanized auxiliary technique of large-scale underground cavern groups with water curtains

Li Chunhui Zhou Zhenghua Xin Guoping

(No.1Division,ChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401121,China)

Combining with engineering examples, the paper points out the mechanized allocation requirements according to the construction features of large-scale underground cavern groups with water curtains, analyzes the advantages of the mechanized auxiliary construction, provides the mechanic auxiliary combination of the large-scale underground cavern groups with water curtains adhering to the mechanized allocation principle.

cavern with water curtain, mechanization, auxiliary, advantages

1009-6825(2015)02-0220-02

2014-11-03

李春辉(1976- )，男，工程师； 周正华(1975- )，男，高级工程师； 辛国平(1976- )，男，高级工程师

TU607

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